泡沫分离技术及其发展现状

泡沫分离技术的研究进展及发展前景摘要:探讨了泡沫分离技术的原理、泡沫分离设备及泡沫分离技术的研究进展。泡沫分离过程的性能受很多因素的影响,例如,进料液浓度、气泡尺寸、气体流量、泡沫的排液、进料位置、聚并、温度等。介绍了泡沫分离在固体粒子、溶液中的离子分子、废水处理过程中的应用，指出泡沫分离技术目前存在的问题及发展方向。关键词:泡沫分离，原理，应用ThedevelopmentsituationandtrendoffoamfractionationFengXiaoshen11yingyang20110805141SeparationofbiologicalmaterialengineeringAbstract:Discussestheresearchprogressofprinciples,foamseparationtechnologyoffoamseparationequipmentandfoamseparationtechnology.Propertiesoffoamseparationprocessisaffectedbymanyfactorssuchasconcentrationoffeedliquid,bubblesize,gasflowrate,foamdrainage,feedlocation,coalescenceandtemperatureetc…Introducesthefoamseparationonsolidparticlesinsolution,ionmolecule,wastewatertreatmentintheprocessofapplication,pointsouttheexistingproblemsandthedevelopmentdirectionoffoamseparationtechnologyatpresent.Keywords:foamfractionation;theory;application泡沫分离是膜分离技术的一种,它是以泡沫作为分离介质,以组分之间的表面活性差异作为分离依据,利用在溶液中的鼓泡来达到浓集物质目的的一种新型分离技术[1]。20世纪早期泡沫分离技术已经应用于矿物浮选和处理废水中的表面活性剂,20世纪70年代以后此种技术得到了广泛的使用。目前,在工业中成功应用的实例很多,还有一些应用尚处在实验室研究阶段。在食品工业及生化领域中,泡沫分离技术已被用于蛋白质、多糖及生物活性物质等的分离提取及浓缩过程[2]。1泡沫分离技术的原理泡沫分离技术是根据表面吸附的原理，通过向溶液中鼓泡并形成泡沫层，将泡沫层与液相主体分离，由于表面活性物质聚集在泡沫层内，就可以达到浓缩表面活性物质或净化液相主体的目的。被浓缩的物质可以是表面活性物质，也可以是能与表面活性物质相结合的任何物质。吸附作用使气泡表面的溶质浓缩，清除在液体表面上形成的泡沫，即可除去被浓缩的物质。泡沫分离必须具备两个基本条件，首先，所需分离的溶质应该是表面活性物质，或者是可以和某些活性物质相络合的物质，它们都可以吸附在气/液界面上；其次，富集质在分离过程中借助气泡与液相主体分离，并在塔顶富集。因此，它的传质过程在鼓泡区中是在液相主体和气泡表面之间进行，在泡沫区中是在气泡面和间隙液之间进行。所以，表面化学和泡沫本身的结构和特征是泡沫分离的基础[3]。泡沫分离器的基本装置可由一个简单的气泡圆柱体表示(如图1):输入的废水被抽入塔中,气体经由扩散器注入,形成许多小气泡,气泡在上升过程中吸附聚集溶质,到达液面时形成泡沫,并携带溶质及少量溶剂,气泡不断产生并且上升,最后被迫进入泡沫收集器,待泡沫收集器装满后,剩余的泡沫由排管流出,而经处理的基液或干净溶液由出水管排出。2泡沫分离技术研究现状在国外,walling[4]等人较早就开始了金属离子的泡沫分离技术的研究。Rubin和Johnson[5]等人通过对泡沫分离金属离子的研究表明:pH值是一个很重要的影响因素。同时,离子强度可以改变表面活性剂的选择性。Yun一HweiShen[6]在利用SDS、DPC从水中分离TIO2时发现,增加气流速度,能够增加泡沫体积,提高Ti02的回收率,尤其是利用SDS的效果要比DPC效果好。Shang一daHuan[7]在实验中以Fe(OH)3作为吸附絮凝剂,十二烷基硫酸钠作为浮选促集剂,通过胶体吸附浮选测试从铜氨溶液中去除铜的效率。同时研究影响浮选结果的因素,例如溶液的pH值、氨水溶液的浓度、Fe(III)的剂量和絮凝剂中铜的密度。他们认为浮选的最佳pH值是使絮凝物最终能最大吸附铜的那个pH值,即在此时有最大的去除效率。M-M-Koutlemani[8]用内径为4一scm的浮选柱在pH为5的条件下回收水溶液中的co离子。他们选用了三种表面活性剂:十二烷基硫酸钠、十六烷基毗吮氯化铰、十二烷基胺作为捕集剂,其中十二烷基硫酸钠的效率最高,然而这三种捕集剂都会产生含水泡沫,导致相当低的分离效果和回收率。Moussavi[9]在对氰根离子进行分离时得出结论:泡沫分离不仅对具有表面活性的物质有效,对非表面活性的物质也是可以的,只要复合物是疏水的,因为泡沫存在双电层结构,其结构类似于胶体,复合物就会被静电力吸附在泡沫上。溶液中溶质与表面活性剂亲水基团的亲和受溶剂水的水化作用及各种离子干扰竞争的影响,只有与表面活性剂有较强亲和能力的溶质才能被较好地分离。Wingrattansopon[10]等以十二烷基硫酸钠、十六烷基氯化毗吮为起泡剂探讨泡沫分离tert一butylphenol,结果表明十二烷基硫酸钠最佳分离点在临界胶束浓度CMC附近,十六烷基氯化毗吮的最佳点略小于临界胶束浓度。表面活性剂头基与醇轻基的作用为离子一偶极作用,醇类稳定阳离子表面活性剂的能力比稳定阴离子型的更强。在国内,关于泡沫分离技术研究的报道还不是很多。严希康、潘焕华[11]用泡沫分离法提取了庆大霉素,研究了溶液的pH值、表面活性剂的种类及浓度、气流速度等因素对分离过程的影响,并用正交实验找出其最佳条件。陈树晖[12]等人采用十二烷基三甲基嗅化按作表面活性剂,提取电镀含金废液中的三价金离子。清华大学刘志红[13]等人采用泡沫分离法浓缩和分离蛋白质,研究了蛋白质溶液体系性质对其表面张力和泡沫分离效果的影响。结果表明,在接近蛋白质等电点处,溶液的表面张力最低,进行泡沫分离效果最佳。管志远泛[14]等人用泡沫浮选技术对模拟含镍废水进行了处理,就pH值、絮凝剂浓度。表面活性剂的流加速度、气量等对分离效果的影响规律进行了系统研究。王绢[15]等研究了以十二烷胺醋酸盐泡沫吸附分离BF4,结果表明分离受CMC、气量和pH值的影响。3泡沫分离技术的应用3.1分离固体粒子由于分离的对象是含有固体粒子的悬浮液，可以加入合适的表面活性剂，捕收固体颗粒，使他们获得疏水性，然后再加入适当起泡剂，利用空气鼓泡，根据矿石粒子和脉石粒子性质的差异，使脉石下沉，矿石随气泡上浮，从而达到分离目的[16]。这种技术较为成熟，已经广泛应用于工业生产中。3.2分离溶液中的离子、分子，处理工业废水分离的对象是真溶液，通过向溶液中加入表面活性物质，吸附溶液中的离子或分子，通过鼓泡将其带出，从而实现分离。一般认为，吸附在泡沫表面的表面活性剂与溶质的作用力有两种，一种是表面活性剂与溶质间的离子-离子作用力，它具有良好的选择性和高的提浓率，另一种是离子-偶极间的作用力。但常志东等却利用偶极-偶极的作用，以吐温系列非离子表面活性剂从水中回收低浓度的磷酸三丁酯，取得较好的分离效果[16]。Yun一HweiShen[6]通过实验论证了从水溶液中分离TIO2的可行性，在适当的操作条件下，TIO2回收率可达100%。Moussavi[9]在对氰根离子进行分离时得出结论，泡沫分离不仅对具有表面活性的物质有效，对非表面活性的物质也是可以的，只要复合物是疏水的，因为泡沫存在双电层结构，其结构类似于胶体，复合物就会被静电力吸附在泡沫上。溶液中溶质与表面活性剂亲水基团的亲和受溶剂水的水化作用及各种离子干扰竞争的影响，只有与表面活性剂有较强亲和能力的溶质才能被较好地分离。3.3回收、浓缩蛋白质等表面活性物质泡沫分离可应用于各种蛋白质和酶的浓缩或分离，其最初是用于胆酸和胆酸钠混合物中分离胆酸，泡沫中胆酸的浓度为料液的3-6倍，活度增加60%，泡沫分离还可用于从非纯制剂中分离磷酸酶，从链球菌培养液中分离链激酶，从粗的人体胚胎均浆中分离蛋白酶[17]。Nopparat[18]等认为，泡沫分离法对从水溶液中分离回收表面活性物质是非常有效的，在一定条件下，经过375min，90%的CPC可以回收；Momway[19]等在研究中发现，泡沫分离对β-乳球蛋白和牛血清蛋白具有很高的回收率，其中β-乳球蛋白回收率高达96%，牛血清蛋白收率83%。3.4分离全细胞用月桂酸、硬脂酰胺或辛胺作表面活性剂，对初始细胞浓度为7.2×108个/cm3大肠杆菌进行细胞分离，结果1min的时间能除去90%的细胞，用10min的时间能去除99%的细胞。此外，泡沫分离还可用于酵母细胞、小球藻、衣藻等的分离[17]。4泡沫分离技术的展望泡沫分离技术是一种新型的分离技术。在化工,生化、医药、污水处理等领域,它的应用和发展前景都十分广阔。因此,对泡沫分离技术分离效率的影响因素及其影响程度的研究就显得十分重要。此外,分离设备的创新和改善对于泡沫分离技术的工业化应用也起到了重要作用。为提高泡沫分离的效率,改善泡沫分离设备的性能,有关各种表面活性剂在气)液界面处发生分离的吸附机理以及吸附特性还有待于继续研究,尤其是吸附动力学、以及表面活性物质混合物的竞争吸附。有关吸附动力学和流体力学行为,目前还没有统一的数学模型。此外,由于吸附而引起的溶液粘度等物性的变化,也可能会影响到泡沫排液和泡沫稳定性。聚并对分离效率有显著的作用,所有会影响聚并的因素也应加以研究。单级、半间歇及连续操作的泡沫塔的分离能力已有较详细的论述,而多级逆流或错流模型还需进一步考察。有效的泡沫分离和破沫模型的放大,对于多级泡沫塔的操作也是非常重要的。参考文献：[1]高福成.食品分离重组工程技术[M]北京.中国轻工业出版社.1998[2]常志东，刘会州，陈家墉.泡沫分离的应用与发展.[J].化工进展.1999,(5):18-21.[3]邓修，吴俊生.化工分离进展[M]北京：科学出版社[4]WallingCW,RuffEE,ThorntonJL.StudiesontheSeparationOfCadminumfrombyFoamSeparation[J].PhysChem.,1957(6l):486.[5]RubinAJ,JohnsonJD,LambJC.ComparisonofVariablesinlonandPrecipitateFlotation[J].Eng.Chem.ProcessDesDev,1996(5):368.[6]Yun一HweiShen.Colloidaltitaniumdioxideseparationfromwaterbyfoamflotation[J].SepSeiTechnol,1998,33(16):2623一2635.[7]Chien一shuLuo,Shang-laHuang.RemovalofCopperfromaqueousammineCopper(II)Solutionbyfoamflotation[J].Sep.Sci.tech.,1993,28(7):1395一1418.[8]KoutlemaniMM,MavrnsP,ZouboulisAI.RecoveryOfCo2+lonsfromAqueoussolutionsbyForthFlotation[J].SepSci.Tech,1994,29(7):867一888.[9]MoussaviMobsen.Separationofcyanioleionsbyfoamfractionation[J]sepSciTeohnol.,1992,27(6):783